基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：王濤（1990— ），男，河南三門(mén)峽人，助理工程師，本科；研究方向：通信工程。

摘要：智能火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)在保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮著重要作用。文章提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，著重研究該系統(tǒng)中的無(wú)線路由算法，旨在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化能耗，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)壽命。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能火災(zāi)檢測(cè)；無(wú)線路由算法；能耗優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP277;TN92? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)智能報(bào)警系統(tǒng)是一種利用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，用于檢測(cè)和及時(shí)響應(yīng)火災(zāi)事件。該系統(tǒng)是為了提高火災(zāi)的檢測(cè)速度、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并增加火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)的效率［1］。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線路由問(wèn)題是指如何有效地選擇和建立傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信路徑，以便可靠地傳輸數(shù)據(jù)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常具有有限的能源和計(jì)算能力，并且節(jié)點(diǎn)分布在廣闊的區(qū)域內(nèi)［2］。因此，對(duì)如何提高能源效率、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命以及保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的研究就顯得至關(guān)重要。

1? 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)由以下3個(gè)主要部分構(gòu)成。

1.1.1? 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

分布在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知和采集環(huán)境參數(shù)，如溫度、煙霧、氣體濃度等。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線通信功能，可以與其他節(jié)點(diǎn)和中心控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

1.1.2? 數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給中心控制節(jié)點(diǎn)。中心控制節(jié)點(diǎn)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。這包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、數(shù)據(jù)融合等操作。中心控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)用火災(zāi)檢測(cè)算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判定，以確定是否存在火災(zāi)情況。

1.1.3? 中心控制節(jié)點(diǎn)

中心控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控和管理分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。它可以收集節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)傳輸情況等，并確保節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。一旦中央控制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到火災(zāi)情況，節(jié)點(diǎn)會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，并生成相應(yīng)的報(bào)警信息。中心控制節(jié)點(diǎn)將報(bào)警信息發(fā)送給相關(guān)人員或部門(mén)，如消防部門(mén)、安保人員等，以便及時(shí)采取緊急響應(yīng)措施。這些措施可以包括啟動(dòng)滅火系統(tǒng)、疏散人員、通知相關(guān)人員等［3］。

1.2? 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的布置和要求

1.2.1? 傳感器節(jié)點(diǎn)的布置

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)的密度布置取決于火災(zāi)監(jiān)測(cè)的需求和覆蓋區(qū)域的特性。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)的密度可以更高。這種布置方式可以確保火災(zāi)事件的及時(shí)檢測(cè)和報(bào)警。在低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)榱斯?jié)約能源和成本，節(jié)點(diǎn)的密度可以相對(duì)較低。

（2）傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)放置在可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，如廚房、電氣設(shè)備附近等。節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)具有足夠的通信范圍，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?jié)點(diǎn)的位置選擇應(yīng)避免過(guò)大的通信距離或過(guò)多的障礙物，以防止信號(hào)弱化或中斷。

1.2.2? 無(wú)線通信要求

（1）節(jié)約能耗、延長(zhǎng)使用壽命。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常由有限的電池供電，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命對(duì)于系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。路由算法應(yīng)選擇能量消耗較低的路徑，以減少節(jié)點(diǎn)能源的消耗。節(jié)點(diǎn)在非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)入休眠模式，以降低能耗。在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或處理時(shí)，節(jié)點(diǎn)重新激活以完成任務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)可靠并確保報(bào)警信息的準(zhǔn)確傳遞。路由算法應(yīng)確保數(shù)據(jù)能夠可靠地從源節(jié)點(diǎn)傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，即使在網(wǎng)絡(luò)中存在丟包、信號(hào)干擾或節(jié)點(diǎn)失效等情況下也能保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。路由算法可以采用錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正機(jī)制，如校驗(yàn)和、重傳和冗余傳輸?shù)?，以檢測(cè)和糾正數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭S持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和連通性。路由算法應(yīng)能選擇穩(wěn)定的路徑，避免不穩(wěn)定或易失效的節(jié)點(diǎn)或鏈路。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)（如節(jié)點(diǎn)故障、新節(jié)點(diǎn)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)），路由算法應(yīng)及時(shí)更新路由信息，以維持網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性。路由算法可以通過(guò)路徑質(zhì)量估計(jì)，如鏈路質(zhì)量、擁塞程度或傳輸延遲等指標(biāo)，來(lái)選擇最佳的傳輸路徑。這樣可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎托阅堋?/p>

2? 優(yōu)化能耗的路由算法設(shè)計(jì)

2.1? 算法建模

本設(shè)計(jì)結(jié)合無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的通信需求，構(gòu)建無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的通信系統(tǒng)建模，考慮能耗模型和數(shù)據(jù)傳輸模型的因素，建模如下：

2.1.1? 能耗模型

模型假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的總能量為E（單位：J），初始能量為E0，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸和接收過(guò)程中消耗的能量可以表示為以下幾種。

發(fā)送能量消耗：E_send = k_send × dα× L （單位：J）

接收能量消耗：E_receive = k_receive × L （單位：J）

空閑能量消耗：E_idle = k_idle （單位：J）

其中，k_send、k_receive和k_idle是與無(wú)線模塊和硬件相關(guān)的能量常數(shù)，d是傳輸距離，α是路徑損耗指數(shù)，L是數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。

2.1.2? 數(shù)據(jù)傳輸模型

數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾士梢员硎緸椋篟=B/T （單位：bit/s）。其中，B是數(shù)據(jù)包的大?。▎挝唬篵it），T是傳輸時(shí)間（單位：s）。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延可以表示為：D = T_prop + T_trans （單位：s）。其中，T_prop是傳輸時(shí)延，表示信號(hào)傳播在空間中的傳播延遲；T_trans是傳輸時(shí)延，表示數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間。

2.1.3? 誤碼率模型

誤碼率（Bit Error Rate， BER）表示在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生比特錯(cuò)誤的概率，可以表示為P_err。誤碼率可以受到信噪比（SignaltoNoise Ratio， SNR）的影響，可以表示為：P_err=f（SNR）。

2.2? 三種傳輸模型結(jié)合方式

傳輸模型的輸入?yún)?shù)包括：傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量N、通信范圍W、數(shù)據(jù)包大小B、傳輸速率目標(biāo)值R_target、信噪比SNR。輸出參數(shù)包括：選擇的簇首節(jié)點(diǎn)集合 Cluster_heads、總能耗 E_total、傳輸速率 R、誤碼率 P_err。具體算法步驟如下：

2.2.1? 初始化階段

每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)能耗模型計(jì)算發(fā)送能量消耗E_send和接收能量消耗 E_receive。

2.2.2? 簇首節(jié)點(diǎn)選擇階段

每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)能耗模型計(jì)算空閑能量消耗 E_idle。每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算選擇為簇首節(jié)點(diǎn)的概率p = （P× E_idle） / （1 - P×（r mod （1/P）））。其中，P 是用于控制簇首節(jié)點(diǎn)選擇概率的參數(shù)，通常取值在0到1之間。

r 是一個(gè)在［0，1］范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性。mod表示取模運(yùn)算，計(jì)算r mod （1/P）的結(jié)果。P × E_idle表示節(jié)點(diǎn)的空閑能量消耗與P的乘積，表示節(jié)點(diǎn)具備成為簇首節(jié)點(diǎn)的能量。（r mod （1/P））的結(jié)果在 ［0，1/P］范圍內(nèi)，可以看作是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，用于控制節(jié)點(diǎn)選擇為簇首節(jié)點(diǎn)的概率。1-P×（r mod （1/P））的結(jié)果在［1-1/P，1］范圍內(nèi)，表示非簇首節(jié)點(diǎn)的概率。

因此，概率p表示節(jié)點(diǎn)選擇自身作為簇首節(jié)點(diǎn)的概率。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)該概率 p 進(jìn)行選擇，并將選擇結(jié)果存儲(chǔ)在 Cluster_heads 集合中。概率公式的設(shè)計(jì)使得能量較高的節(jié)點(diǎn)更有可能被選為簇首節(jié)點(diǎn)，但也引入了隨機(jī)性，以實(shí)現(xiàn)簇首節(jié)點(diǎn)的均衡分布。

2.2.3? 數(shù)據(jù)傳輸階段

普通節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給所屬簇首節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合和轉(zhuǎn)發(fā)操作，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模型計(jì)算傳輸時(shí)間T=B/R_target和傳輸速率R=B/T。簇首節(jié)點(diǎn)向控制中心節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)能耗模型計(jì)算簇首節(jié)點(diǎn)到控制中心節(jié)點(diǎn)的能量消耗 E_send_cc。

2.2.4? 誤碼率計(jì)算階段

每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳輸距離d和信噪比SNR，使用誤碼率模型計(jì)算誤碼率P_err。

2.2.5? 能耗計(jì)算階段

每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)能耗模型計(jì)算總能耗E_total，包括發(fā)送能量消耗、接收能量消耗、空閑能量消耗和簇首節(jié)點(diǎn)到控制中心節(jié)點(diǎn)的能量消耗的總和。

2.2.6 ?輸出結(jié)果

輸出結(jié)果包括返回選擇的簇首節(jié)點(diǎn)集合Cluster_heads、返回總能耗 E_total、返回傳輸速率R和返回誤碼率P_err。

3? 實(shí)驗(yàn)與評(píng)估

3.1? 參數(shù)賦值

本設(shè)計(jì)采用NS-3模擬系統(tǒng)進(jìn)行仿真，使用C語(yǔ)言進(jìn)行模擬程序編寫(xiě)，在模擬環(huán)境輸入?yún)?shù)取值為：N=100；W=80 meters；B=1 024 bytes；R_target=1 Mbps；SNR=10 dB。另外，算法中所涉及的參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況、結(jié)合模擬數(shù)據(jù)，按照如下方式獲?。?/p>

3.1.1? 能耗模型的參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程將發(fā)送能量常數(shù)（k_send）模擬為0.02 J/mα；將接收能量常數(shù)（k_receive）模擬為 0.01 J/bit；將空閑能量常數(shù)（k_idle）模擬為0.001 J。

3.1.2? 數(shù)據(jù)傳輸模型的參數(shù)

傳輸時(shí)延的傳播延遲根據(jù)信號(hào)傳播速度來(lái)估計(jì)，如取值為在自由空間中的光速3 × 108 m/s。

傳輸時(shí)延的傳輸時(shí)間根據(jù)無(wú)線模塊的特性和數(shù)據(jù)處理時(shí)間來(lái)估計(jì)，如取值為 0.001 s。

3.1.3? 誤碼率模型的函數(shù)

誤碼率函數(shù)f（SNR）根據(jù)具體的無(wú)線信道模型和調(diào)制方式選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，如經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚶碚撃Ｐ?。?duì)于二進(jìn)制相干調(diào)制（BPSK）在高信噪比下，誤碼率可以使用Q函數(shù)來(lái)近似估計(jì)，P_err=0.5×erfc（sqrt（SNR））。

3.2? 對(duì)比評(píng)估

在本文設(shè)計(jì)的無(wú)線路由算法中，P 是用于控制簇首節(jié)點(diǎn)選擇概率的參數(shù)，P值的大小直接影響算法的適用性。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要設(shè)定不同的P值來(lái)做對(duì)比。具體對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)選擇概率在0.03～0.15之間變化。對(duì)應(yīng)的簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨機(jī)生成。模擬數(shù)據(jù)包括總能耗、平均傳輸時(shí)延、平均傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)連通性和誤碼率等指標(biāo)。P值選擇概率為0.12時(shí)，總能耗和誤碼率相對(duì)較低。平均傳輸時(shí)延和平均傳輸速率也達(dá)到了較好的值。整體性能得到了一個(gè)較為平衡的性能表現(xiàn)。

同時(shí)，為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的無(wú)線路由算法的性能，本研究進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，一組采用本文設(shè)計(jì)的能耗為主的路由算法，另一組采用距離判定路由的算法進(jìn)行測(cè)試。采用能耗路由算法比采用通訊距離路由算法的性能指標(biāo)提升很多，具體指標(biāo)包括總能耗從7 612 J降低到5 395 J、平均傳輸時(shí)延降低了8 ms，平均傳輸速率提升0.1 Mbps、網(wǎng)絡(luò)連通性從0.75提升為0.8、誤碼率由0.05降低至0.043。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明能耗控制路由算法在提高網(wǎng)絡(luò)性能、降低能耗和改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量方面具有優(yōu)勢(shì)。

4? 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的路由算法應(yīng)注重能耗優(yōu)化、數(shù)據(jù)可靠性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、路由選擇策略的設(shè)計(jì)，并具備自適應(yīng)性和靈活性。這樣可以有效地傳輸報(bào)警信息，延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命，并保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。研究人員期望通過(guò)本設(shè)計(jì)為無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的無(wú)線路由設(shè)計(jì)提供參考，以提升系統(tǒng)在火災(zāi)防控能力，為保障人類生命財(cái)產(chǎn)安全做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］劉大維.無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路探討［J］.消防界，2020（12）：68.

［2］羅夢(mèng)瑩.綜合管廊火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.智能建筑與智慧城市，2023（2）：136-138.

［3］苗程賓.基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)：中國(guó)消防協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)工作委員會(huì)消防科技論文集（2022）［C］.北京：中國(guó)石化出版社，2022.

（編輯? 姚? 鑫）

Design of intelligent fire detection and alarm system based on wireless sensor networks

Wang? Tao

（Huzhou Tatong Communication Technology Co.， Ltd.， Huzhou 313300， China）

Abstract： Intelligent fire detection and alarm systems play an important role in protecting the safety of peoples lives and property. This article proposes an intelligent fire detection and alarm system based on wireless sensor networks， focusing on the wireless routing algorithm in the system. The aim is to optimize energy consumption and extend the lifespan of wireless sensor nodes while ensuring reliable and stable data transmission.

Key words： wireless sensor network; intelligent fire detection; wireless routing algorithm; energy consumption optimization